CN105222525A - 富氧空气产品的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种富氧空气产品的制备装置及方法，涉及空气分离技术领域。富氧空气产品的制备装置包括空气压缩机、空气预冷、纯化系统、主换热器、精馏塔和膨胀机；空气压缩机用于将原料空气压缩到一定的压力：空气预冷、纯化系统用于将原料空气预冷并除去空气中杂质；主换热器用于将净化后的原料空气冷却，同时回收返流气体中的冷量；精馏塔用于将冷却后的原料空气精馏得到富氧液化空气和氮气；膨胀机用于将冷却后的另一部分原料空气膨胀以制取装置所需冷量；本发明实施例提供的富氧空气产品的制备装置及方法可有效简化制作流程，有效节约生产成本，制备得到的富氧空气产品可直接用于助燃，使用时不需再另增混配系统，保证使用安全。

Description

富氧空气产品的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及空气分离技术领域，具体而言，涉及一种富氧空气产品的制备装置及方法。

背景技术

传统上的燃烧过程大都是基于空气为氧化剂来源的热工过程，常规燃烧方式助燃空气仅21％的氧气参与燃烧过程，而空气中的79％的氮气不但不帮助燃烧，反而吸收了大量的燃烧反应放出的热量，并作为烟气排出，造成燃料的很大浪费。

随着助燃技术的不断提高，人们发现采用富氧空气(氧气的体积分数大于空气中的平均氧气体积分数的空气称为富氧空气)作为氧化剂来源较传统的燃烧过程更节能环保：富氧环境下，燃料在最短的时间内迅速燃尽，最大可能的、充分的释放出所有的热量，提高了燃料的燃尽率，减少燃料的热损失，节约了燃料，同时，富氧燃烧环境能有效的提高燃料系统的升温速率而节能。

研究发现，火焰温度随助燃空气的含氧量的增加而增加，当含氧量少于30％时，火焰温度上升很快；当含氧量大于30％时，火焰温度上升缓慢，一般含氧量控制在30％左右为助燃效果最佳。

目前工业富氧空气的制备方法主要是分离空气，应用最广泛的是低温精馏法，其次还有膜分离法。

申请号为201110096197.X的发明申请公开了一种低压富氧空气分离工艺，其流程是双塔正流膨胀制取富氧工艺，得到氧气纯度在80％-95％的富氧空气产品，采用这种方式得到的富氧空气产品，在应用时需和空气混合后才能使用，且混合时需要再增加混配系统，给使用带来了极大的不便，同时，在混配过程中，富氧纯度不便于控制，容易发生炉体烧毁等安全事故，其次，由于产品纯度相对较高导致成本过高，增加投资成本。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种富氧空气产品的制备装置及方法，以改善上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种富氧空气产品的制备装置，富氧空气产品的制备装置包括空气压缩机、预冷设备、分子筛吸附器、主换热器、精馏塔和膨胀机；

所述空气压缩机、所述预冷设备和所述分子筛吸附器依次连接；

所述空气压缩机用于将原料空气压缩至0.4-0.6MPa，所述原料空气包括第一原料空气和第二原料空气；

所述预冷设备用于将压缩后的所述原料空气预冷至8-10℃；

所述分子筛吸附器用于将预冷后的所述原料空气纯化，去除所述原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔；

所述主换热器用于将纯化后的所述原料空气冷却至饱和温度；

所述精馏塔用于将冷却后的所述第一原料空气进行精馏得到富氧液化空气和氮气，所述精馏塔的塔顶设置有冷凝蒸发器；

所述膨胀机用于将冷却后的所述第二原料空气膨胀至常压状态；

所述主换热器还用于将膨胀后的所述第二原料空气与富氧空气混合后得到的气体复热至常温得到富氧空气产品，所述富氧空气是所述富氧液化空气汽化后得到的。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，富氧空气产品的制备装置还包括过冷器，所述过冷器分别与所述膨胀机、所述精馏塔的塔底以及所述冷凝蒸发器连接；

所述过冷器用于将得到的所述富氧液化空气冷却，回收低温返流气体的冷量；

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述空气净化装置包括还包括节流阀，所述节流阀位于所述过冷器和所述冷凝蒸发器之间，所述节流阀用于将冷却后的所述富氧液化空气进行节流。

第二方面，本发明实施例还提供了一种富氧空气产品的制备方法，该方法包括：

将原料空气压缩至0.4-0.6MPa，所述原料空气包括第一原料空气和第二原料空气；

将压缩后的所述原料空气预冷至8-10℃；

将预冷后的所述原料空气纯化处理，去除所述原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔；

将纯化处理后的所述第一原料空气进行精馏得到富氧液化空气和氮气；

将纯化处理后的所述第二原料空气膨胀至常压状态；

将所述富氧液化空气汽化得到富氧空气；

将膨胀后的所述第二原料空气与所述富氧空气混合后得到的气体复热至常温得到富氧空气产品。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：

将得到的所述富氧液化空气冷却；

利用冷却并节流后的所述富氧液化空气作为冷源，对得到的所述氮气进行冷却得到液氮，同时所述富氧液化空气汽化为所述富氧空气。

本发明实施例提供的富氧空气产品的制备装置及方法，制备装置的结构简单，制备与原料空气混合的富氧空气时，对富氧空气中氧的含量要求低，因此制取的流程更加简便，制取过程中耗能更低，能有效节约生产成本，且制备得到的富氧空气产品可直接用于助燃，使用时不需再另增混配系统，保证使用安全。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明第一实施例所提供的富氧空气产品的制备装置的结构示意图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的富氧空气产品的制备装置的结构示意图；

图3示出了本发明第三实施例所提供的富氧空气产品的制备方法的流程图。

主要元件符号说明：

主换热器101，精馏塔102，膨胀机103，过冷器104，冷凝蒸发器105，空气压缩机107，分子筛吸附器108，节流阀109，预冷设备110。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到现有技术中双塔正流膨胀制取富氧工艺制取得到的富氧空气，在使用时需要增加混配系统，在混配过程中，富氧纯度不便于控制，容易发生炉体烧毁等安全事故，且由于产品纯度相对较高导致成本过高，增加投资成本。基于此，本发明实施例提供了一种富氧空气产品的制备装置及方法，下面通过实施例进行描述。

实施例一

参阅图1(图中的箭头方向表示气体或液体的流动方向)，本发明实施例提供了一种富氧空气产品的制备装置，包括空气压缩机107、预冷设备110、分子筛吸附器108、主换热器101、精馏塔102和膨胀机103，空气压缩机107、预冷设备110和分子筛吸附器108依次连接，空气压缩机107用于将原料空气压缩至0.4-0.6MPa，预冷设备110用于将压缩后的原料空气预冷至8-10℃，分子筛吸附器108用于将预冷后的所述空气纯化，去除原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔等杂质，主换热器101用于将净化后的原料空气冷却至饱和温度，精馏塔102用于将冷却后的一部分原料空气进行精馏得到富氧液化空气和氮气，精馏塔的塔顶设置有冷凝蒸发器105，膨胀机103用于将冷却后的另一部分原料空气膨胀至常压状态，主换热器101还用于将膨胀后的原料空气与富氧液化空气蒸发后得到的富氧空气混合形成的气体复热至常温得到富氧空气产品。

制取富氧空气产品时，原料空气首先进入空气压缩机107中进行压缩，使原料空气的气压保持在0.4-0.6MPa内；原料空气压缩后，引入预冷设备110将原料空气预冷至8-10℃，原料空气预冷后，引入分子筛吸附器108，去除原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔等物质，为保证去除效果更好，优选的，本实施例中采用两个交替使用的分子筛吸附器108。除原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔等物质后，可以将其中一小部分抽出作为检测仪表检测的所用的空气。

分子筛吸附器108连接主换热器101，原料空气经分子筛吸附器108去除水分、二氧化碳和乙炔后，引入至主换热器101内，一部分原料空气(即权利要求中的第一原料空气)经主换热器101冷却至-177℃左右，并送入精馏塔102的塔底进行精馏，得到富氧液化空气和氮气，另一部分原料空气(即权利要求中的第二原料空气)经主换热器101冷却至-155℃左右抽出并引入膨胀机103进行膨胀。

送入精馏塔102的原料空气，在精馏塔102的底部进行精馏，得到富氧液化空气和氮气，将富氧液化空气与经膨胀机103膨胀后的原料空气混合，再经入主换热器101进行热交换得到常温状态的富氧空气产品。

本发明实施例提供的富氧空气产品的制备装置通过将部分原料空气与制取的富氧空气混合可直接获得适于助燃的富氧空气产品，较传统的富氧制备装置及工艺相比，由于制备的富氧空气产品可直接用于助燃，因此不需要在使用时再另增混配系统，保障富氧空气产品的使用安全。同时，本实施例提供的富氧空气产品的制备装置结构更加简便，设备成本低。另外，制取能耗更低，且运行稳定，富氧空气产品中杂质含量更少。

实施例二

参阅图2，本实施例提供的富氧空气产品的制备装置是在实施例一的基础上进行的改进，本实施例中未提及的内容可参照实施例一的内容。

本实施例提供的富氧空气产品的制备装置还设置有过冷器104，过冷器104分别与膨胀机103、精馏塔102的塔底以及冷凝蒸发器105连接，同时，在过冷器104和冷凝蒸发器105之间设置用于节流的节流阀109。过冷器104用于将得到的富氧液化空气冷却，并回收低温返流气体的冷量，低温返流气体是返流的富氧空气和膨胀后的原料空气。

在精馏塔102的底部精馏得到的富氧液化空气引入至过冷器104，经过冷器104冷却至约-183℃，通过节流阀109节流引入至塔顶的冷凝蒸发器105，在精馏塔102的底部精馏得到的一部分氮气直接导入冷凝蒸发器105，富氧液化空气在冷凝蒸发器105内进行热交换形成富氧空气，在热交换的过程中为冷凝蒸发器105提供冷源，并使氮气冷却为液氮。同时，形成的富氧空气与经膨胀机103进行膨胀的原料空气混合后，经过冷器104和主换热器101进行热交换后导出得到富氧空气产品。冷却得到的液氮引出部分即为液氮产品，其余引入塔顶作为回流液，引出部分氮气经主换热器101复热后作为再生气用。

本实施例提供的富氧空气产品的制备装置，在可制取直接用于助燃的富氧空气产品的同时，还能够制取获得具有经济价值的液氮和氮气等副产品。

实施例三

参阅图3，本发明实施例提供了一种富氧空气产品的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤S301：将第一原料空气和第二原料空气压缩、预冷和纯化处理。

制取富氧空气产品时，原料空气首先进入空气压缩机中进行压缩，使原料空气的气压保持在0.4-0.6MPa内；原料空气压缩后，引入预冷设备将原料空气预冷至8-10℃，原料空气预冷后，引入分子筛吸附器，去除原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔等物质，预冷设备可以采用预冷机或空冷塔加水冷塔形式；原料空气预冷后引入分子筛吸附器，去除原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔等物质，为保证去除效果更好，优选的，本实施例中采用两个交替使用的分子筛吸附器。去除原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔等物质。

步骤S302：将原料空气引入主换热器进行热交换，使原料空气冷却，将冷却后的第一原料空气引入精馏塔进行精馏得到富氧液化空气和氮气。

其中，一部分原料空气冷却至-177℃左右，形成一定湿度气体并送入精馏塔的塔底进行精馏，得到富氧液化空气和氮气。

步骤S303：将冷却后的第二原料空气引入膨胀机膨胀至常压状态。

另一部分原料空气经主换热器冷却至约-155℃左右抽出并引入膨胀机进行膨胀至常压状态。

步骤S304：将精馏得到的富氧液化空气引入过冷器冷却，将冷却后的富氧液化空气引入冷凝蒸发器进行热交换得到富氧空气，同时将部分氮气冷却为液氮。

精馏塔精馏得到的氮气部分引入至塔顶的冷凝蒸发器，而得到的富氧液化空气则导入过冷器中进一步冷却至约-183℃，并经节流阀节流后导入冷凝蒸发器，在冷凝蒸发器内进行热交换，蒸发形成富氧空气，并为冷凝蒸发器提供冷源，使冷凝蒸发器内的部分氮气冷却为液氮。

冷却得到的液氮可以引出部分即为液氮产品，其余引入塔顶作为回流液，引出部分氮气经主换热器复热后作为再生气用。

步骤S305：将富氧空气与膨胀后的第二原料空气混合、复热后导出成为富氧空气产品。

经冷凝蒸发器热交换得到富氧空气后，与经膨胀机进行膨胀后的原料空气混合，在经过过冷器和主换热器交换后导出，得到温度为12℃左右、氧气含量为30％左右氧气的富氧空气产品。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (5)

1.一种富氧空气产品的制备装置，其特征在于，包括：空气压缩机、预冷设备、分子筛吸附器、主换热器、精馏塔和膨胀机；

所述空气压缩机、所述预冷设备和所述分子筛吸附器依次连接；

所述空气压缩机用于将原料空气压缩至0.4-0.6MPa，所述原料空气包括第一原料空气和第二原料空气；

所述预冷设备用于将压缩后的所述原料空气预冷至8-10℃；

所述分子筛吸附器用于将预冷后的所述原料空气纯化，去除所述原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔；

所述主换热器用于将纯化后的所述原料空气冷却至饱和温度；

所述精馏塔用于将冷却后的所述第一原料空气进行精馏得到富氧液化空气和氮气，所述精馏塔的塔顶设置有冷凝蒸发器；

所述膨胀机用于将冷却后的所述第二原料空气膨胀至常压状态；

所述主换热器还用于将膨胀后的所述第二原料空气与富氧空气混合后得到的气体复热至常温得到富氧空气产品，所述富氧空气是所述富氧液化空气汽化后得到的。

2.根据权利要求1所述的富氧空气产品的制备装置，其特征在于，还包括过冷器，所述过冷器分别与所述膨胀机、所述精馏塔的塔底以及所述冷凝蒸发器连接；

所述过冷器用于将得到的所述富氧液化空气冷却，回收低温返流气体的冷量。

3.根据权利要求2所述的富氧空气产品的制备装置，其特征在于，还包括节流阀，所述节流阀位于所述过冷器和所述冷凝蒸发器之间，所述节流阀用于将冷却后的所述富氧液化空气进行节流。

4.一种富氧空气产品的制备方法，其特征在于，包括：

将原料空气压缩至0.4-0.6MPa，所述原料空气包括第一原料空气和第二原料空气；

将压缩后的所述原料空气预冷至8-10℃；

将预冷后的所述原料空气纯化处理，去除所述原料空气中的水分、二氧化碳和乙炔；

将纯化处理后的所述第一原料空气进行精馏得到富氧液化空气和氮气；

将纯化处理后的所述第二原料空气膨胀至常压状态；

将所述富氧液化空气汽化得到富氧空气；

将膨胀后的所述第二原料空气与所述富氧空气混合后得到的气体复热至常温得到富氧空气产品。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将得到的所述富氧液化空气冷却；

利用冷却并节流后的所述富氧液化空气作为冷源，对得到的所述氮气进行冷却得到液氮，同时所述富氧液化空气汽化为所述富氧空气。